高周波/マイクロ波無線周波数信号が PCB 回路では、回路自体と回路材料によって引き起こされる損失は、必然的に一定量の熱を発生させます。 損失が大きいほど、PCB材料を通過する電力が大きくなり、発生する熱が大きくなります。 回路の動作温度が定格値を超えると、回路に問題が発生する場合があります。 たとえば、PCBでよく知られている一般的な動作パラメータMOTは、最大動作温度です。 動作温度がMOTを超えると、PCB回路の性能と信頼性が脅かされます。 電磁モデリングと実験的測定の組み合わせにより、RFマイクロ波PCBの熱特性を理解することで、高温による回路性能の低下と信頼性の低下を回避できます。

回路材料で挿入損失がどのように発生するかを理解することは、高周波PCB回路の熱性能に関連する重要な要因をよりよく説明するのに役立ちます。 この記事では、マイクロストリップ伝送ライン回路を例として取り上げ、回路の熱性能に関連するトレードオフについて説明します。 両面PCB構造のマイクロストリップ回路では、損失には誘電損失、導体損失、放射損失、および漏れ損失が含まれます。 異なる損失成分の違いは大きいです。 いくつかの例外を除いて、高周波PCB回路のリーク損失は一般に非常に低いです。 この記事では、漏れ損失値が非常に低いため、当面は無視します。

放射線損失

Radiation loss depends on many circuit parameters such as operating frequency, circuit substrate thickness, PCB dielectric constant (relative dielectric constant or εr) and design plan. As far as design schemes are concerned, radiation loss often stems from poor impedance transformation in the circuit or electromagnetic waves in the circuit. The difference in transmission. Circuit impedance transformation area usually includes signal feed-in area, step impedance point, stub and matching network. Reasonable circuit design can realize smooth impedance transformation, thereby reducing the radiation loss of the circuit. Of course, it should be realized that there is the possibility of impedance mismatch leading to radiation loss at any interface of the circuit. From the point of view of operating frequency, usually the higher the frequency, the greater the radiation loss of the circuit.

放射損失に関連する回路材料のパラメータは、主に誘電率とPCB材料の厚さです。 回路基板が厚いほど、放射損失を引き起こす可能性が高くなります。 PCB材料のεrが低いほど、回路の放射損失が大きくなります。 材料特性を包括的に計量し、薄い回路基板の使用は、低εr回路材料によって引き起こされる放射損失を相殺する方法として使用できます。 回路の放射損失に対する回路基板の厚さとεrの影響は、周波数に依存する関数であるためです。 回路基板の厚さが20milを超えず、動作周波数が20GHz未満の場合、回路の放射損失は非常に低くなります。 この記事の回路モデリングと測定周波数のほとんどは20GHz未満であるため、この記事の説明では、回路の加熱に対する放射損失の影響を無視します。

20GHz未満の放射損失を無視した後、マイクロストリップ伝送ライン回路の挿入損失には、主に誘電損失と導体損失の1つの部分が含まれます。 この50つの比率は、主に回路基板の厚さに依存します。 より薄い基板の場合、導体損失が主な要素です。 多くの理由から、導体損失を正確に予測することは一般に困難です。 たとえば、導体の表面粗さは電磁波の伝送特性に大きな影響を与えます。 銅箔の表面粗さは、マイクロストリップ回路の電磁波伝搬定数を変化させるだけでなく、回路の導体損失も増加させます。 表皮効果により、導体損失に対する銅箔の粗さの影響も周波数に依存します。 図6.6は、PCBの厚さがそれぞれ10ミルとXNUMXミルであることに基づいて、XNUMXオームのマイクロストリップ伝送ライン回路の挿入損失を比較しています。

The simulation results are obtained using Rogers Corporation’s MWI-2010 microwave impedance calculation software. The MWI-2010 software quotes the analytical equations in the classic papers in the field of microstrip line modeling. The test data in Figure 1 is obtained by the differential length measurement method of a vector network analyzer. It can be seen from Fig. 1 that the simulation results of the total loss curve are basically consistent with the measured results. It can be seen from the figure that the conductor loss of the thinner circuit (the curve on the left corresponds to a thickness of 6.6 mil) is the main component of the total insertion loss. As the circuit thickness increases (the thickness corresponding to the curve on the right is 10mil), the dielectric loss and the conductor loss tend to approach, and the two together constitute the total insertion loss.

The circuit material parameters used in the simulation model and the actual circuit are: dielectric constant 3.66, loss factor 0.0037, and copper conductor surface roughness 2.8 um RMS. When the surface roughness of the copper foil under the same circuit material is reduced, the conductor loss of the 6.6 mil and 10 mil circuits in Figure 1 will be significantly reduced; however, the effect is not obvious for the 20 mil circuit. Figure 2 shows the test results of two circuit materials with different roughness, namely Rogers RO4350B™ standard circuit material with high roughness and Rogers RO4350B LoPro™ circuit material with low roughness.

For thinner substrates, the use of smooth copper foil can significantly reduce the insertion loss. For the 6.6mil substrate, the insertion loss is reduced by 0.3 dB due to the use of smooth copper foil at 20GHz; the 10mil substrate is reduced by 0.22 dB at 20GHz; and the 20mil substrate, the insertion loss is only reduced by 0.11 dB.

This means that when the circuit is fed with a certain amount of RF microwave power, the thinner the circuit will generate more heat. When comprehensively weighing the issue of circuit heating, on the one hand, a thinner circuit generates more heat than a thick circuit at high power levels, but on the other hand, a thinner circuit can obtain more effective heat flow through the heat sink. Keep the temperature relatively low.

回路の加熱問題を解決するために、理想的な薄型回路は、回路材料の損失係数が低く、銅の薄い表面が滑らかで、εrが低く、熱伝導率が高いという特性を備えている必要があります。 高εrの回路材料と比較して、低εrの条件下で得られる同じインピーダンスの導体幅を大きくすることができ、これは回路の導体損失を減らすのに有益である。 回路の熱放散の観点から、ほとんどの高周波PCB回路基板は導体に比べて熱伝導率が非常に低いですが、回路材料の熱伝導率は依然として非常に重要なパラメータです。

回路基板の熱伝導率に関する多くの議論は以前の記事で詳しく説明されており、この記事では以前の記事からのいくつかの結果と情報を引用します。 たとえば、次の式と図3は、PCB回路材料の熱性能に関連する要因を理解するのに役立ちます。 この式で、kは熱伝導率（W / m / K）、Aは面積、THは熱源の温度、TCは冷熱源の温度、Lは熱源と熱源の間の距離です。コールドソース。